DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes
Jean-Pierre Briot 1
DEA Systèmes Informatiques Répartis Tronc CommunConception par Objets et Prototypage d’Applications Concurrentes
Adaptation Logicielle : Réflexion, Composants, Agents
Copie transparents en :
http://www-poleia.lip6.fr/~briot/cours/adaptation-sir03-04.pdf
Jean-Pierre Briot Thème OASIS
(Objets et Agents pour Systèmes d’Information et Simulation) Laboratoire d’Informatique de Paris 6
Université Paris 6 - CNRS Jean-Pierre.Briot@lip6.fr
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Besoins d'Adaptation du Logiciel
• Nouvelles applications informatiques :
– (informatique nomade, objets communicants, travail coopératif, multimedia, etc.)
• Profonds besoins en matière de dynamicité : – dynamicité des services offerts,
– adaptation à des environnements et contraintes d'exécution évoluant dynamiquement (et éventuellement non prédictibles),
» ex : contraintes de débit,
» de taille
» de sécurité
» de robustesse
» de ressources
» de qualité de service...
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Problématique de l'adaptation du logiciel
• Adaptation (statique et dynamique) individuelle – Réflexion
• Adaptation d'un ensemble de logiciels (recomposition) – Composants
• (vers une) Auto-Adaptation logicielle – Agents
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I - Réflexion
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(Retour à un vieux) Dilemne
• Ecrire de BEAUX programmes – lisibles
– concis – modulaires – abstraits – génériques – réutilisables
• Ecrire des programmes EFFICACES – spécialisés
– choix optimaux de représentation interne des données – contrôle optimisé
– gestion des ressources adéquate
• DILEMNE : Spécialiser/optimiser des programmes tout en les gardant génériques
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Boîte noire
Modèle
Programme
Interprète / Compilateur / Moniteur Boîte noire
Mise en oeuvre (exécution) du programme est non modifiable exécuté par
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Solutions Ad-Hoc
• Coder "entre" les lignes – difficile à comprendre
– difficile à maintenir (hypothèses cachées) – peu réutilisable
• Annotations/Directives (déjà mieux) – ex : High Performance Fortran (HPF) – mais
» notations de plus ou moins bas niveau
» ensemble/effet des annotations non extensible/adaptable
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Réflexion (3)
Modèle
Programme
Interprète / Compilateur / Moniteur
Boîte semi-ouverte (méta-interfaces)
Mise en oeuvre (exécution) du programme est adaptable/spécialisable exécuté par
Open Implementation [Kiczales 94]
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Réflexion
• Le concept de réflexion (méta-programmation, architectures réflexives...) offre ainsi un cadre conceptuel permettant un découplage des fonctionnalités d'un programme des caractéristiques de sa mise en œuvre
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Réflexion (2)
• Diverses caractéristiques de représentation (statique) et d'exécution (dynamique) des programmes sont rendues concrètes (réifiées) sous la forme de méta-programmes.
– Habituellement elles sont invisibles et immuables (interprète, compilateur, moniteur d'exécution...)
• La spécialisation de ces méta-programmes permet de particulariser (éventuellement dynamiquement) l'exécution d'un programme
» représentation mémoire
» modèle de calcul
» contrôle de concurrence
» séquencement
» gestion des ressources
» protocoles (ex : résistance aux pannes)
avec le minimum d’impact sur le programme lui-même
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Contexte d’exécution
programme représentation
mémoire séquencement
synchronisation répartition
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Réification/réflexion
niveau objet (application)
niveau implémentation niveau meta (réification d’une partie du niveau implémentation)
niveau objet
application
implémentation de l’application (caractéristiques et contrôle cachés)
réification réflexion
?
? ?
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Réification/réflexion
• Réification numérique (potentiomètres) – Ex : Options de compilation d’un compilateur
•
• EfficacitEfficacitéé vs taille vs taille du code généré
niveau objet (application)
niveau implémentation niveau meta (réification d’une partie du niveau implémentation)
niveau objet
application
implémentation de l’application (caractéristiques et contrôle cachés)
réification réflexion
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Réification/réflexion (2)
• Réification logicielle (méta-programmes) – Ex : algorithme de séquencement (scheduler)
niveau objet (application)
niveau implémentation niveau meta (réification d’une partie du niveau implémentation)
niveau objet
application
implémentation de l’application (caractéristiques et contrôle cachés)
réification réflexion
plus général/flexible que des potentiomètres méta-programme par défaut
(ex : séquenceur préemptif)
méta-programme spécialisé (ex : séquenceur temps réel)
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Réflexion (4)
• Découplage des fonctionnalités d'un programme des caractéristiques de sa mise en œuvre (exécution)
• Séparation entre programme ET méta-programme(s) favorise : – généricité et réutilisation des programmes
– et des méta-programmes
• Ex :
– changer la stratégie de contrôle pour un programme donné – réutiliser une stratégie de contrôle en l'appliquant à un autre programme
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Structure / Dynamique
• Structure (représentation) – spécialiser la création des données
» méthodes de classe (= méthodes de métaclasses) en Smalltalk
» constructor member functions en C++, en Java – spécialiser un gestionnaire de fenêtres
» implantation d'une feuille de calcul en Silica [Rao]
– introspection
» représentation d'entités du langage Java (ex : entiers, classes) sous forme d'objets Java
• Dynamique (comportement/exécution)
– implémenter des coroutines via la manipulation de continuations
» call/cc en Scheme – spécialiser le traitement d’erreur
» doesNotUnderstand: en Smalltalk
– changer l'ordre de déclenchement de règles de production
» méta-règles en NéOpus
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Approche réflexive
• Réflexion permet d'intégrer intimement des (méta-)bibliothèques de contrôle avec un langage/système
• Offre ainsi un cadre d'interface entre approche applicative et approche intégrée
• La réflexion s'exprime particulièrement bien dans un modèle objet – modularité des effets
– encapsulation des niveaux
• méta-objet(s) au niveau d'un seul objet
• méta-objets plus globaux (ressources partagées : séquencement, équilibre de charges...)
–group-based reflection [Watanabe’90]
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Méta-objets/composants
• CodA [McAffer ECOOP'95] est un exemple de modèle relativement général d'architecture réflexive
• Sept méta-objets/composants de base : – envoi de message
– réception de messages – stockage des messages reçus – sélection du premier message à traiter – recherche de méthode correspondant au message – exécution de la méthode
– accès à l'état de l'objet
• Les méta-composants sont : – spécialisables – (relativement) combinables
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CodA
A B
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
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Ex : Exécution concurrente
– envoi de message – réception de messages –stockage des messages reçus
» file d'attente (FIFO) – sélection du premier message à traiter – recherche de méthode correspondant au message –exécution de la méthode
» processus associé
» boucle infinie de sélection et traitement du premier message – accès à l'état de l'objet
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Exécution concurrente (2)
A B
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
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Ex : Exécution répartie
–envoi de message
» encodage des messages, envoi via le réseau –réception de messages
» réception via le réseau, décodage des messages – stockage des messages reçus
– sélection du premier message à traiter – recherche de méthode correspondant au message – exécution de la méthode
– accès à l'état de l'objet
–encodage
» discipline d'encodage (marshal/unmarshal) –référence distante
–espace mémoire
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Exécution répartie (2)
A B
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi réseau
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Exécution concurrente et répartie (composition)
A B
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi
accès état réception
stockage sélection recherche
exécution envoi réseau
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Temps réel
• méta-acteurs associés à des acteurs – contrôle du temps pour du «soft real time» [Honda’92]
• machine de contrôle [Nigro et al., FMOODS’97] pour un ensemble d’acteurs – méta-composants :
» horloge, queue de messages (= liste d’événements), contrôleur (période de simulation), séquenceur
» permettent de modifier les aspects temporels de l’application indépendamment de l’application elle-même
» ex : simulation distribuée optimiste (Time Warp) de réseaux de Petri temporels (timed Petri nets)
région queue de messages
séquenceur schedule
dispatch
transition
processus logique mark enabling
firings topology
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Réflexion sur un ensemble d’objets Ex : Installation d’un protocole de réplication passive
Serveur Requêtes Réponses
Client Client
Serveur Requêtes Réponses
Réplication passive
Instance du protocole de réplication passive
«backup»
du serveur
Rôle
"répliqué"
Assignations de rôles
Rôle
"réplica"
COMET [Peschanski ’99]
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Systèmes commerciaux
• Muse (ex-Aperios) [Yokote OOPSLA'92]
– spécialisation dynamique de la politique de séquencement (ex : passer au temps réel) – application au «video on demand» et aux robots-chiens Aibo (Sony)
• Moniteur de transaction [Barga et Pu '95]
– Incorporation de protocoles transactionnels étendus (relâchant certaines des propriétés standard : ACID)
– dans un système existant – réification a posteriori via des upcalls
» (délégation de verrou, identification de dépendances, définition de conflits)
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Moniteur de transaction rendu réflexif/ouvert
méta-composants
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Exemple : CORBA
• approche réflexive
– réification de certaines caractéristiques de la communication
» ex : smart proxies de Orbix (IONA)
• ex d’utilisation : implantation de transmission de messages asynchrone
• intégration des services avec la communication distante
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Bilan - Conclusion
• Approche réflexive prometteuse
• Architectures réflexives encore plus ou moins complexes, mais méthodologie s'établit et s'affine
• Validations en vraie grandeur en cours
• Retour du problème clé de la composition arbitraire (de méta- composants)
• (In)Efficacité
– réduction de la portée de la réflexion (compilation)
» ex : OpenC++ version 2 [Chiba, OOPSLA’95]
– transformation de programmes - évaluation partielle
» [Masuhara et al., OOPSLA’95]
• Ne dispense pas du travail nécessaire à l'identification des bonnes abstractions
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II - Composants
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• granularité encore trop fine-moyenne – pas trop bien adapté à la programmation à grande échelle
• pas encore assez modulaire – références directes entre objets
– donc connexion non reconfigurable sans changer l’intérieur de l’objet
» objet appelé
» nom de la méthode appelée
(Limites) des objets...
x x
méthA ? méthA
méthB
?
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... aux composants
Idées :• composants – plus «gros»
– plus autonomes et encapsulés
– symétrie retrouvée : interfaces d’entréeS mais aussi de sorties – plusieurs interfaces de sortie, et d'entrées : notions de "bornes"
• réification des relations/connexions entre composants – références hors des objets -> couplage externe (mais reste explicite) – notion de connecteur
composant
borne
connecteur
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Architectures logicielles
• Programmation à grande échelle
• Configuration et reconfiguration d’applications modulaires/réparties
• Composants
– clients, serveurs, filtres, couches...
• Connecteurs
– appels de procédure, messages, diffusion d’événements, pipes&filters...
composant connecteur
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Architectures logicielles
[Shaw et Garlan 96]• différents types d’architectures (styles architecturaux) – pipes & filters, ex : Unix Shell dvips | lpr – couches, ex : Xinu, protocoles réseaux – événements (publish/subscribe), ex : Java Beans – frameworks, ex : Smalltalk MVC
– repositories, ex : Linda, blackboards
• un même (gros) système peut être organisé selon plusieurs architectures
• les objets se marient relativement bien avec ces différentes architectures logicielles
– objets et messages comme support d’implémentation des composants et aussi des connecteurs
– cohabitation, ex : messages et événements
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Ex1 : Pipes & filters
• Composants : filters
• Connecteurs : pipes
• Ex : Unix shell dvips | lpr
• +
» compositionalité (pipeline)
» réutilisabilité
» extensibilité
» analyses possibles (débit, deadlock...)
» concurrent
• -
» «batch», pas adéquat pour systèmes interactifs, ex : interfaces homme-machine
» petit dénominateur commun pour la transmissiond e données
• performance
• complexité
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Ex2 : Objets & messages
• Composants : objets
• Connecteurs : transmission de messages
• Ex : Java
• +
» encapsulation
» décomposition
• -
» références directes
• nécessité de recoder les références si reconfiguration
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Ex3 : Diffusion d’événements (publish/subscribe)
• Composants : modules
» interfaces :
• procédures
• événements
• Connecteurs : diffusion d’événements
• Ex : interfaces homme machine, bases de données (contraintes d’intégrité), Java Beans
• +
» réutilisation
» évolution
• -
» contrôle externe aux composants
• difficile de déterminer quels modules seront activés, dans quel ordre...
» validation difficile événement annoncer/diffuser
un événement s’abonner à
un événement
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Ex4 : Systèmes en couches (layered systems)
• Composants : couches
• Connecteurs : appels de procédures
• Ex : protocoles de communication/réseaux, bases de données, systèmes d’exploitation (ex : Unix)
• +
» niveaux croissants d’abstraction
» extensibilité
» réutilisabilité
• -
» pas universel
» pas toujours aisé de déterminer les bons niveaux d’abstraction
» performance
abstrait
concret/matériel
client
service
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Ex4 : Repositories
• Composants : – structure de données centrale – processus
• Connecteurs : accès directs processus <-> structure – processus -> structure, ex : bases de données – structure -> processus, ex : démons, data-driven/trigger
• Ex : (Linda)Tuple space, blackboard (tableau noir)
• +
» partage des données
• -
» contrôle opportuniste
Tuple space
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Comparaison de styles architecturaux
• Exemple d’application :
– (architecture de contrôle d’un) robot mobile autonome
• Propriétés/caractéristiques recherchées : – comportement à la fois délibératif et réactif – perception incertaine de l’environnement – robustesse (résistance aux pannes et aux dangers) – flexibilité de conception (boucle conception/évaluation)
caméra infra rouge capteurs
moteurs roues moteur tourelle
actionneurs
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Solution 1 - boucle de contrôle
contrôleur
actionneurs capteurs
environnement
action feedback
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Solution 2 - couches
superviseur
planification globale
contrôle
navigation
modélisation monde réel
intégration capteurs
interprétation capteurs
contrôle robot
environnement
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Solution 3 - (tâches et) événements
tâche tâche
tâche envoi message
système de messagerie signalement
exception
tâche diffusion message
tâche tâche
espionnage
collecter pierre
prendre pierre
lever pierre se
déplacer
tourner à
gauche avancer
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Solution 4 - tableau noir
navigation supervision
perception
tableau noir
pilotage
perception de bas niveau
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Comparaison
Boucle de
contrôle couches événements tableau noir coordination
des tâches + - - + + +
incertain - + - + - +
robustesse + - + - + + +
sûreté + - + - + + +
performance + - + - + + +
flexibilité + - - + +
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• Architecture Description Languages (ADLs) – définition des composants
• deux types d!’interfaces : – requises (in) – fournies (out) – sémantique d’appel
– synchrone – asynchrone/événement – définition des connexions
• connecteurs utilisés (ex : RPC) – vérification de la sémantique d’assemblage
• conformité types/interfaces
• contraintes de déploiement (OLAN) – ex : taille mémoire minimale, charge machines, etc.
– Unicon [Shaw et al. 95]
– Rapide [Lucham & Vera 95]
– OLAN [Belissard et al. 96]
Langages de description d’architectures
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plus sur les ADLs (et le reste)
• Transparents de cours Ecole d’Eté sur la Construction d'Applications Réparties IMAG-INRIA-LIFL
• http://sirac.imag.fr/ecole/
– 1998 – 1999
• En particulier sur les ADLs (exemples en Unicon, OLAN, Rapide...) : – http://sirac.imag.fr/ecole/98/cours/composants.pdf
– transparents de Michel Riveill – pages 3-4 et 27-43
– également http://sirac.imag.fr/ecole/99/cours/99-8.pdf – et tous les autres transparents !
• http://sirac.imag.fr/ecole/98/cours/
• http://sirac.imag.fr/ecole/99/cours/
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transparent de Michel Riveill
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transparent de Michel Riveill
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transparent de Michel Riveill
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transparent de Michel Riveill
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transparent de Michel Riveill
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Composants
• Un composant est du code exécutable et son mode d!’emploi – module logiciel autonome (et persistant)
– exporte interfaces (d'entrée et de sortie) – auto-description
– «!composable!»
• Composants «!source!»
– architectures logicielles – ex : Sun!JavaBeans
• Composants binaires – ex : Microsoft COM
• «!Petits!» composants – ex : composants graphiques JavaBeans
• «!Gros!» composants – ex : MS Word, ILOG Solver...
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Pourquoi les composants ?
[Albert et Haren 2000]• Analyse sur + de 2000 clients de composants (ILOG et autres) – 11 Critères pour l!’application développée (à base ou pas de composants) :
• flexibilité offerte (éventail de choix ou forte rigidité) – ex : fenêtres rondes rares et difficiles à intégrer – peut brider l’imagination des architectes
• compétences requises (communes ou rares/pointues) – conception vs utilisation
• moyens nécessaires au projet (incluant déploiement et maintenance) + coût de développement important, + composants avantageux
• vitesse de développement
– excellente avec composants, ex : presque indispensable aux startups – mais adaptation composants peut être difficile
• incrémentalité du développement
– porte sur l’extension de certains composants du prototype
• fiabilité du résultat
– composants améliorent toujours fiabilité (capitalisation des tests) – mais (factorisation fait que la) criticité des composants augmente
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Pourquoi les composants ?
(2)• performance du résultat final
– performance en général inversement proportionnelle à généricité – mais capitalisation de l’optimisation
• facilité de déploiement (portabilité sur différentes plates-formes) – capitalisation des portages
– utilisation quasi-générale pour les IHM
• indépendance vis-à-vis des fournisseurs (possibilités de migrer d’un fournisseur à un autre, absorber la disparition ou rachat par compétiteur...)
– actuellement interfaces encore souvent propriétaires
– pérennité du contrat avec fournisseurs de composants vs grand turnover développeurs internes
• lisibilité du code source
– interne : découpage forcé en composants l’améliore – externe : API documentées facilite lisibilité du logiciel métier
• répétabilité du processus (réutilisabilité code-source, savoir-faire, équipe...) – capitalisation de l’apprentissage de l’utilisation de composants
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COM / DCOM / ActiveX
(d’après Peschanski&Meurisse)• COM : Component Object Model
• Définition d'un standard d'interopérabilité de Composants binaires – Indépendant du langage de programmation (i.e VB et C++ ?) – Modèle de composants extrêmement simple (voire vide...)
– notion de composition de composants limité à la notion d'interface (containment / aggregation)
• But : fournir un modèle à base de composants le plus simple possible permettant l'adaptabilité, l'extensibilité, la transparence à la localisation (in process, local, remote) et des performances optimums...
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Principes de COM
(d’après Peschanski&Meurisse)• Encapsulation "totale"
– Black-Box : chaque composant est vu comme une boîte noire – L'interopérabilité entre composants ne se fait que via leurs interfaces – Possibilité de définir des interfaces multiples pour un même composant – QueryInterface : 'découvrir' les interfaces en cours d'exécution
(réflexion !!)
– IUnknown : gestion du cycle de vie des composants (GC)
COM Object
IUnknown
Interface2 Interface1
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La composition dans COM
(d’après Peschanski&Meurisse)IUnknown knows A, B and C
B A
C D
IUnknown Composant1
Composant2
Par confinement / délégation
IUnknown knows A, B, C and D
B A
C D
IUnknown Composant1
Composant2
Par agrégation
Principes de 'Réutilisabilité' [Microsoft97]
Cycle de vie des composants ('Versioning')...
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JavaBeans
(d’après Peschanski&Meurisse)• Motivations : Composition graphique d'applications
• Définition :
– Entité logicielle manipulable graphiquement
– “A Java Bean is a reusable software component that can be manipulated visually in a builder tool.” [Sun Spec97]
• "Modèle" inspiré des Architectures logicielles
• mais principalement orienté implémentation...
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Communication des JavaBeans
Push button
Inspiré d'un style architectural : Communication implicite
(
publish/subscribe)
Vector listeners
public synchronized addListener (Listener l)
Emetteur
handleEvent (Event e)
Emetteur.addListener (this) Récepteur
event
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Propriétés JavaBeans
(d’après Peschanski&Meurisse)• Propriétés
• attributs, ex : couleur, taille, position...
• peuvent être accédés de l'extérieur
• convention de nommage des méthodes d'accès
• int i getX et setX(int i)
• peuvent être "liées" (déclenchement d'événements notification)
• Introspection granularité méthode/attribut
• Déploiement - Packaging (JAR)
• Support de Sérialisation Beans - Evénements
• etc.
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• But : Simplifier le développement d'architectures "3 tiers", côté serveur
Enterprise JavaBeans
(d’après Peschanski&Meurisse)Client
Logique Système Logique
métier Logique
métier Logique
métier Composants
Conteneur Serveur
Base de données, Moniteur transactionnel, etc Troisième tiers
• Développement -> "contrats"
• Déploiement
• Persistance
• Sécurité
• Transactions -> "déclaratif"
• Packaging -> "ejb-jar"
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Jean-Pierre Briot 64
Composants Corba : modèle abstrait
(d’après Peschanski&Meurisse)Modèle abstrait
Interface2 i2 Interface1 i1
Interface3 i3
Property1 p1 Property2 p2
Ref1 r1 Ref2 r2 Event1 e1
Event2 e2
Event3 e3 Event4 e4
Facettes Puits d'événements
Sources d'événements
Réceptacle
component {
attribute Property1 p1;
attribute Property2 p2;
provides Interface1 i1;
provides Interface2 i2;
provides Interface3 i3;
consumes Event1 e1;
consumes Event2 e2;
uses Ref1 r1;
uses multiple Ref2 r2;
emits Event3 e3;
publishes Event4 e4;
} exemple;
component exemple
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Jean-Pierre Briot 65 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 66
DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes
Jean-Pierre Briot 67 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 68
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Jean-Pierre Briot 71 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 72
[Frédéric Peschanski, Middleware 2003]
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Jean-Pierre Briot 73 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 74
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Jean-Pierre Briot 75 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 76
DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes
Jean-Pierre Briot 77 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 78
MMEvent send(event);
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Jean-Pierre Briot 79
Scope (F. Peschanski) : Connection Type Inference
• Expressing the dynamics of the type system – adding/removing components and connections
• Automatic type inference of connection between components – connection types used for : data type checks, optimization of connections
• Formalization (state-transition semantics for dynamicity)
• Hierarchical (composite) components
• Type-based multicast (automatic discrimination based on input-types)
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Jean-Pierre Briot 80
Ex : Passive Replication (backup) Protocol Installation (Frédéric Peschanski PhD, Middleware’2003)
Server Requests Replies
Client Client
Server Requests Replies
dynamic and transparent installation of a
«!Passive Replication!»
protocol
«!Passive Replication!»
protocol instance
Server «backup»
«!Replicated!»
role Role assignement
«!Replica!»
role"
(Scope/Comet) prototype formalization (Z + Petri nets) Scheme/Java implementations
http://savannah.nongnu.org/projects/comet
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Jean-Pierre Briot 81
Replication Protocol (2)
role ReplicatedRole { prehook MMRequest ; send MMRequest ; before MMRequest(event) { send (event);
} }
protocol ReplicationProtocol {
public void createReplica(String repClass, Address machine) { ComponentRef ref = upload (repClass, machine);
instantiate (ref);
}
public void doReplication(ComponentRef server, ComponentRef replica) { assign(ReplicatedRole, server);
connect(server, replica, Event);
} } Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 82
DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes
Jean-Pierre Briot 83 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 84
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Jean-Pierre Briot 85 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 86
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Protocol FlowSyncProtocol {
void sync(ComponentRef server ; ComponentRef client) { assign(client, FlowWatcher) ;
assign(server, FlowRegulator) ; connect(server, client, FlowException) ; } }
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Jean-Pierre Briot 103 Jean-Pierre Briot DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes 104
DEA SIR -- Conception d’Applications Concurrentes
Jean-Pierre Briot 105
Frameworks
• Squelette d’application
• Ensemble de classes en collaboration
• Framework vs Boîte à outils (Toolkit) – inversion du contrôle
– principe d’Hollywood
application boucle de contrôle
bibliothèque de composants (ex : windows toolkit)
boucle de contrôle
framework Ecrire le corps principal de l’application
et appeler le code à réutiliser
composants de l ’application Réutiliser le corps principal et écrire
le code applicatif qu’il appelle
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Jean-Pierre Briot 106
Frameworks (2)
• Un framework est une généralisation d’un ensemble d’applications
• Un framework est le résultat d’itérations
• Un framework est une unité de réutilisation
• Un framework représente la logique de collaboration d’un ensemble de composants : variables et internes/fixés
• «!If it has not been tested, it does not work!»
Corollaire :
• «!Software that has not been reused is not reusable!»
[Ralph Johnson]
Exemples :
• Model View Controller (MVC) de Smalltalk
• Actalk
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Jean-Pierre Briot 107
Architectures logicielles/Composants vs Frameworks
• Architectures logicielles et composants (et connecteurs) – Générique
– Approches de conception
» descendante
• décomposition
• connexions
» ou ascendante
• assemblage de composants existants
– Les connexions et la coordination («!boucle de contrôle!») restent à définir, puisqu’elle est spécifique à l’application : difficile !
• Frameworks
– Conception initiale du framework ascendante – Mais utilisation (spécialisation du framework) descendante
– Les connexions et la coordination sont déjà définies (et testées) pour une classe d!’applications : plus facile !
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Jean-Pierre Briot 108
Model View Controller (MVC)
Modèle d’interface homme-machine graphique de Smalltalk
Modèle Application
Contrôleur
Affichage
Interaction dépendances
Vue(s)
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Jean-Pierre Briot 109
Patrons de conception (Design Patterns)
• Idée : identifier les solutions récurrentes à des problèmes de conception
• «!Patterns in solutions come from patterns in problems!»
[Ralph Johnson]
• Analogie :
– principes d’architecture (bâtiments, cathédrales) [Christopher Alexander]
– patrons/archétypes de romans (ex : héros tragique : Macbeth, Hamlet...) – cadences harmoniques : II-V-I, Anatole...
• Des architectes (C. Alexander) aux architectes logiciels – Design Patterns : Elements of Reusable O-O. Software
[E. Gamma, R. Helm, R. Johnson, J. Vlissides (the «!GoF!»), Addison Wesley 1994]
• Les patterns ne font sens qu!’à ceux qui ont déjà rencontré le même problème (Effet «!Ha ha !!»)
– documentation vs génération
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Jean-Pierre Briot 110
Pattern = < Problème , Solution >
• Un pattern n'est pas juste une solution, mais est la discussion d'un type de solution en réponse à un type de problème
• nom (ex : Bridge, Observer, Strategy, Decorator...)
• contexte
• problème
• forces
• collaboration (possible avec d'autres patterns)
• directives
• exemples
• ...
Utilisation :
• Capitalisation de connaissances
• Explication
• Génération (vers une instanciation automatique de patterns)
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Jean-Pierre Briot 111
Ex : pattern Bridge
• Problème : une abstraction peut avoir différentes implémentations
• Solution naïve :
– énumérer/nommer toutes les combinaisons
• MacIconWindow, XIconWindow, etc.
– problèmes :
» combinatoire
» le code du client dépend de l’implémentation
abstraction implémentation
Window
IconWindow LiftWindow
Window
XWindow MacWindow
hérite de (sousclasse de)
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Jean-Pierre Briot 112
Ex : pattern Bridge (2)
• Solution :
– séparer les 2 hiérarchies
IconWindow LiftWindow
Window DrawText() DrawRect()
MacWindow WindowImp DevDrawText() DevDrawRect() imp->DevDrawLine()
...
imp
XWindow DevDrawText() DevDrawRect() DevDrawLine() ...
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Jean-Pierre Briot 113
Ex : pattern Bridge (3)
• Solution générale (le pattern Bridge)
• Exemples d’utilisation : – Multi-fenêtres, libg++, Next AppKit...
• Egalement :
– Langages de patterns (Pattern Languages), ex : GoF book – Patterns d’analyse (Analysis Patterns)
– Patterns seminar group (équipe de Ralph Johnson à UIUC) – Voir : http://www.hillside.net/patterns/patterns.html – Crise actuelle des patterns ?
RefinedAbstraction Abstraction
Operation
Implementor OperationImp() imp->OperationImp()
imp
Implementor OperationImp()
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Jean-Pierre Briot 114
III - Agents
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Jean-Pierre Briot 115
(sous)-Plan
• Première partie : Introduction aux Agents – Pourquoi les Agents ?
– Positionnement historique (évolution de l'IA et de la Programmation) – Classification (incluant Agents Mobiles et Agents Assistants) – Principes
– Architectures d'Agents
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Jean-Pierre Briot 116
Motivations - pourquoi les agents?
• Complexité croissante des applications informatiques, plus ouvertes, plus hétérogènes, plus dynamiques
– exemple : le Web et toutes les couches et services qui le supportent
– comment décomposer, recomposer, interopérer, gérer l’évolution, adaptation (aux autres modules logiciels, à l’environnement, aux utilisateurs...), contrôle, négocier (partage ressources, prise de RdV),...
– limitations des approches informatiques classiques : statiques, homogènes, interfaces rigides, objets/composants sans initiative propre, client serveur
– difficile à maîtriser par des humains
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Jean-Pierre Briot 117
Exemples
• Contrôle de sonde/vaisseau spatiale – Distance avec le contrôle au sol -> temps de réaction – -> Nécessité d!’un contrôle local : autonomie
– capacités de prises de décision en cas de situations non prévues : initiative
• Recherche d’information sur Internet
– Processus long et difficilement prédictible (attente, découverte, pannes…) – -> Délégation du cahier des charges : guidé par les objectifs – ex : recherche multilingue - coopération de différents agents
» (personnalisation, ontologie, dérivations, traduction, etc.) [Projet SAFIR]
• Prise de RdV
– fastidieux, attentes (indisponibilité ou déconnexions)
– -> PDAs assistants (apprend habitudes utilisateur et initiative) et coopératifs
• etc, ex : Surveillance de réseaux – détection, intervention, réparation
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Jean-Pierre Briot 118
Idées
• Agents logiciels – autonomie – mission – initiative – niveau connaissance – adaptation – inter-opérabilité
– De plus, ils peuvent être coopératifs (avec autres agents)
• ex : prise de RdV distribuée
– On parle alors de :
• Systèmes multi-agents
(issus du domaine «!résolution distribuée de problèmes!») – protocoles de communication
– protocoles de coordination – organisations
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Jean-Pierre Briot 119
Qu’est-ce qu’un agent ?
• Petit Robert : – De agere «!agir, faire!»
• «!Celui qui agit (opposé au patient qui subit l’action)!»
• «!Ce qui agit, opère (force, corps, substance intervenant dans la production de certains phénomènes)!»
– De agens «!celui qui fait, qui s!’occupe de!»
• «!Personne chargée des affaires et des intérêts d’un individu, groupe ou pays, pour le compte desquels elle agit!»
• «!Appellation de très nombreux employés de services publics ou d’entreprises privées, généralement appelés à servir d’intermédiaires entre la direction et les usagers!»
• American Heritage Dictionary :
– «!one that acts or has the power or authority to act... or represent another!»
– «!the means by which something is done or caused; instrument!»
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Jean-Pierre Briot 120
Qu’est-ce qu’un agent ? (2)
• [Ferber 95]
– on appelle agent une entité physique ou virtuelle
• qui est capable d’agir dans un environnement,
• qui peut communiquer directement avec d’autres agents,
• qui est mue par un ensemble de tendances (sous la forme d’objectifs individuels ou d’une fonction de satisfaction, voire de survie, qu’elle cherche à optimiser),
• qui possède des ressources propres,
• qui est capable de percevoir (mais de manière limitée) son environnement,
• qui ne dispose que d’une représentation partielle de cet environnement (et éventuellement aucune),
• qui possède des compétences et offre des services,
• qui peut éventuellement se reproduire,
• dont le comportement tend à satisfaire ses objectifs, en tenant compte des ressources et des compétences dont elle dispose, et en fonction de sa perception, de ses représentations et des communications qu’elle reçoit.
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Jean-Pierre Briot 121
Rappel historique (vis à vis de l’IA)
• Concept d’agent rationnel à la base de l’intelligence artificielle (IA) – système informatique autonome
• connaissances, buts, pouvoirs, perceptions, raisonnement/délibération (résolution, planification, déduction, etc.), actions
• système expert
• Limitation : Autarcie !!
– autarcie logicielle : difficile à faire collaborer avec d’autres logiciels
– autarcie sociale : censé remplacer l’homme, pas de collaboration (expert humain en dehors de la «!boucle!»)
• Réponses – agents coopératifs
• systèmes multi-agents
• issus de la résolution distribuée de problèmes – distributed artificial intelligence (DAI versus GOFAI) – agents assistants
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Jean-Pierre Briot 122
Rappel historique (vis à vis de la programmation)
• Interview Les Gasser, IEEE Concurrency 6(4):74-81, oct-déc 98
• langage machine
• assembleur
• programmation structurée
• programmation par objets
• programmation par agents !
• concept d’action persistante
• programme qui tente de manière répétée (persistante) d’accomplir quelque chose
• mission et initiatives pour l’accomplir
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Jean-Pierre Briot 123
action persistante
• programme qui tente de manière répétée (persistante) d’accomplir quelque chose
– pas la peine de contrôler explicitement succès, échec, répétition, alternatives...
• description de : – (quand) but == succès – méthodes alternatives
– * apprentissage (de nouvelles méthodes)
• ressources : – processus – itération (tant que)
– options/solutions (situation -> action) – capacité de choix (on line - sélection d’action) – recherche (search) -- en cas de nouvelles situations – feedback sur le choix
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Jean-Pierre Briot 124
Une vision différente du logiciel (vers un couplage sémantique et adaptatif)
• Problème clé du logiciel : évolution, adaptation
– profil utilisateur, programmeur, environnement, contraintes - ex : QoS, ...
– Pour un système (logiciel) complexe, impossible de prédire au moment de la conception toutes les interactions potentielles
– Ceci est rendu encore plus difficile si l’on considère l’évolutivité du logiciel ainsi que celle de son environnement (autres logiciels)
• Vers des composants logiciels «!adaptables!»
– Les interactions non prévues deviennent la norme et non plus l’exception [Jennings 1999]
– Le couplage entre composants est abordé au niveau des connaissances et non plus au niveau des types de données (ce qui est sûr mais rigide)
– Vers un plus grand découplage : objets -> composants -> agents (et ensuite ?!)
– A rapprocher du "Ever late binding" (C -> C++ -> Java -> ...)
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Jean-Pierre Briot 125
typologie (Babel agents) 1/3
• agents rationnels
– IA, comportement délibératif, perceptions, croyances, buts – ex : systèmes experts
• systèmes multi-agents
– résolution distribuée (décentralisée) de problèmes – coordination, organisation
– ex : robotique collective
• agents logiciels
– ex : démons Unix, virus informatiques, robots Web
• agents mobiles
– code mobile -> objet mobile -> agent mobile (processus)
– motivations : minimisation communications distantes, informatique nomade – technologie en avance sur les besoins
– problèmes de sécurité, coquilles vides
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Jean-Pierre Briot 126
typologie (Babel agents) 2/3
• agents assistants
– secrétaire virtuelle (trie le mail, gère les RdVs...) – < logiciel utilisateur + assistant >
– filtrage collaboratif
• ex : recommandation achats CDs par recherche de similarité des profils puis transitivité – computer-supported cooperative work -> communityware (pour citoyens) – agents «!émotionnels!»
• agents robotiques – architectures de contrôle de robots – sélection de l’action
– robotique collective (ex : RoboCup, déminage...)
• vie artificielle – alternative à l’IA classique
– modélisation/simulation des propriétés fondamentales de la vie (adaptation, reproduction, auto-organisation...)
– importation de métaphores biologiques, éthologiques...
– ex : algorithmes à base de fourmis (agents) pour routage de réseaux
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Jean-Pierre Briot 127
typologie (Babel agents) 3/3
• simulation multi-agent
– simulation centrée individu vs modèle global (ex : équations différentielles) – modèles de comportement arbitrairement complexes
– interactions arbitrairement complexes (ex : sociales : irrigation parcelles) – niveaux hiérarchiques (ex : bancs de poissons)
– espaces et échelles de temps hétérogènes – couplage de processus
• agents de loisir – virtuels (ex : jeux vidéo) – virtuels-physiques (ex : Tamagotchi) – physiques (ex : Furby, robot-chien Aibo de Sony)
• agents artistiques – art interactif – éco-système – créatures virtuelles
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Jean-Pierre Briot 128
Agents robotiques
• jouet
• équipe (RoboCup)
• aspirateur
• tondeuse-à-gazon
• démineur
• ...
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Jean-Pierre Briot 129
Code/objets/agents mobiles
• Code mobile
– rapprocher (code) traitement des données – ex : SQL
client base de
données code de
sélection
résultat
• Objet mobile
– PostScript (code + données constantes) – Emerald [Black et al. IEEE TSE 87]
A
C
B
• call-by-reference
• call-by-value
• call-by-move/visit
C’
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Jean-Pierre Briot 130
Agents mobiles
• A la différence du code ou de l’objet mobile, c’est l’agent mobile qui a l’initiative de son déplacement
• Langages : – Telescript (initiateur)
– (Java-based) Odissey, Aglets, Voyager, Grasshopper, D’Agents (ex-AgentTcl), etc.
– Standardisation :
• OMG MASIF
• FIPA
agent mobile
place1
place2
place3
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Jean-Pierre Briot 131
Agents mobiles (2)
• Avantages des (mis en avant par) les agents mobiles – Réduction du trafic (traitement local -> données échangées réduites)
• agents mobiles vs RPC – Robustesse
• Déconnexion du client mobile (informatique nomade : pause, tunnel, ombre…) – Confidentialité (traitement local)
• (mais problèmes de sécurité) – Evolution logicielle
• Off-line
– Diffusion (versions) de logiciels (download)
• On-line – Réseaux actifs
• Données et Méta-données de contrôle (capsules)
• «!Find the killer application !!»
• Une nouvelle technique (parmi les) de programmation répartie
• Combinaison (avec les autres : RPC, réplication, etc.) et non pas remplacement
• Recherches actuelles
• Sécurité
• Hétérogénéité
• Collaboration (les agents mobiles actuels restent encore trop souvent solitaires)
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Jean-Pierre Briot 132
Agents assistants
• Limitations des interfaces homme-machine classiques – à manipulation directe / explicite
– rigidité, complexité, ne s’améliore pas à l’usage
• Agents assistants
• adaptation au profil de l’utilisateur, automatisation de certaines tâches, rappel d’informations utiles, initiative
• ex : trieur de mails, prise de RdVs